EFFICIENCY OF USE OFDM IN THE TROPOSCATTER COMMUNICATION CHANNEL, WAYS OF NOISE STABILITY RISE

Full Text

Впервые метод модуляции на нескольких несущих был использован в военных высокочастотных радиоприемниках в конце 50-х - начале 60-х годов прошлого столетия. Начиная с 90-х годов, модуляция на нескольких несущих стала использоваться во множестве различных проводных и беспроводных систем связи, включая цифровое радио- и телевещание в Европе, цифровые абонентские линии DSL (digital subscriber line) с использованием дискретных многочастотных сигналов и в самом последнем поколении беспроводных локальных сетей [1]. К основным достоинствам OFDM относятся: - устойчивость к многолучевым замираниям; - противостояние межсимвольным помехам и интерференции между поднесущими; - высокая спектральная эффективность; - возможность увеличения пропускной способности; - возможность применения различных схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно варьировать помехоустойчивость и скорость передачи информации (повышению и анализу помехоустойчивости при передаче и приеме OFDM сигнала посвящено много работ, например, такие как [2-4]). Благодаря вышеперечисленным положительным характеристикам, OFDM нашло свое применение в широко известных стандартах связи таких как LTE (Long-Term Evolution) - стандарт нового поколения беспроводной сотовой связи и DVB - стандарт цифрового телевидения (DVB - это набор спецификаций, охватывающий кабельное DVB-C (cable), спутниковое DVB-S (satellite) и наземное DVB-T (terrestrial) вещание). Известны работы, посвященные использованию OFDM в системах Wi-MAX, Wi-Fi, LTE и др. [5-8]. Необходимость в использовании метода OFDM в тропосферном канале связи, обусловлена особенностями распространения сигнала при его прохождении через слои тропосферы. К таким особенностям можно отнести замирания сигнала, обусловленные интерференцией нескольких волн, пришедших в точку приема с разным временем задержки. а б Рис. 1. Спектр одной поднесущей OFDM сигнала (а) и спектр OFDM сигнала (б) Frequency ( Рис. 2. Спектральная плотность мощности OFDM-сигнала при 16 поднесущих колебаний Известно устройство модуляции-демодуляции тропосферной станции [9], в котором описан способ увеличения скорости передачи дискретной информации за счет выполнения блоков модулятора и демодулятора устройства многоканальными и обеспечения уплотнения линии с последующим объединением каналов в единый групповой поток. Однако данное устройство не обеспечивает борьбы с быстрыми замираниями [10] в тропосферном канале связи, которые могут существенно снизить качество передаваемой информации, вплоть до полной потери связи. Следовательно, цель данной работы - анализ эффективности использования OFDM в тропосферном канале связи и возможности повышения качества помехоустойчивости. Основная идея, лежащая в основе метода модуляции OFDM - это разбиение цифрового потока с большей скоростью передачи информации R на несколько цифровых потоков (поднесущих) с меньшей скоростью R/n. Поднесущие между собой ортогональны, каждая поднесущая передается в своем частотном канале (на своей несущей частоте). Эта особенность определяет многие положительные качества технологии OFDM, указанные выше. Для наглядного представления на рис. 1, а изображен спектр одной подне-сущей OFDM-сигнала, на рис. 1, б изображен спектр OFDM-сигнала в целом. Следовательно, спектральная плотность одного OFDM-символа есть сумма спектров всех поднесущих колебаний, например, на рис. 2 изображена спектральная плотность мощности OFDM-сигнала при 16 поднесущих колебаниях. Ортогональность цифровых потоков обеспечивается благодаря использованию циклического префикса (защитного интервала), являющегося копией окончания сигнала, размещенного впереди, что помогает избежать межсимвольной интерференции. Важным путем достижения требуемой помехозащищенности тропосферных линий связи при воздействии преднамеренных помех является использование сигналов с ППРЧ. Интенсивное развитие метода ППРЧ и его применение началось с 1941 г., что подробно описано в [11]. Для более эффективной борьбы с быстрыми замираниями сигнала и увеличения показателя качества помехоустойчивости предлагается использовать псевдослучайную перестройку рабочей OFDM-полосы. Суть данного метода состоит в расширении спектра, при котором сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации. Расширение спектра обеспечивается путем скачкообразного изменения несущих частот в выделенном для работы диапазоне. Под скачкообразным изменением частот следует понимать периодическую перестройку нескольких частот, используемых для передачи сигнала [11]. Число перестраиваемых частот и порядок их чередования определяется алгоритмом перестройки, который известен приемнику и передатчику. Минимальный шаг перестройки частот должен выбираться исходя из условия обеспечения отсутствия взаимной корреляции между сигналами соседних частот [12]. Для достижения максимального эффекта от псевдослучайной перестройки рабочей OFDM-полосы, скорость перестройки должна на порядок превышать частоту быстрых замираний, частота быстрых замираний описана в [13]. Использование режима ППРЧ позволяет увеличить помехоустойчивость связи. Если помехой поражена часть имеющегося диапазона, действие помехи будет только в течение того времени, когда сигнал по закону псевдослучайной перестройки попадает в пораженную полосу частот. Также для борьбы со случайными битовыми ошибками используется помехоустойчивое канальное кодирование, основанное на внесении дополнительной избыточности в передаваемый цифровой поток на стороне кодера с последующей коррекцией возникших в канале ошибок на стороне декодера. Для более эффективной защиты от возникновения ошибок при передаче символов на передающей стороне осуществляется так называемое перемежение, при котором каждый символ кодового пакета передается по отдельному частотному каналу. Перемежение превращает сигнал во временной области в бесструктурную форму, что позволяет бороться с быстрыми замираниями, а также затрудняет создание оптимальных помех. С целью восстановления исходного порядка символов на приемной стороне требуется операция деперемежения символов. Следовательно, применение кодирования и декодирования, перемежения и деперемежения символов как с медленной, так и быстрой перестройкой частоты позволяет корректировать пакеты ошибок, вызываемых импульсными помехами на отдельных участках диапазона частот тропосферной радиосвязи. Величина выигрыша в отношении сигнал/помеха G , при воздействии, например гармонической помехи, определяется коэффициентом расширения спектра используемого сигнала, определяемого как отношение полосы частот, используемых ТРС AF к информационной полосе частот сигнала А/инф [14; 15]: G = AF/А/иНф. Например, при значениях полосы частот ТРС AF = 600 МГц и скорости передачи сообщений 2 048 кбит/с (А[инф = 2,048 МГ ц), коэффициент расширения спектра составляет 600/2,048 = 292, или около 23 дБ. Следовательно, выигрыш в отношении сигнал/помеха будет составлять 23 дБ. Использование OFDM и ППРЧ в тропосферной связи более эффективно в условиях быстрых замираний по сравнению с классическими методами обработки сигналов (кратность принимаемых копий сигнала за счет частотного, пространственного и других способов разнесения сигнала) благодаря хорошему противостоянию межсимвольным помехам и интерференции между поднесущими, а также благодаря обеспечению необходимой степени помехоустойчивости, при этом происходит уменьшение влияния задержки сигналов при прохождении через тропосферный канал связи, что позволяет обеспечить максимальную скорость передачи информации. Внедрение предложенных методов обработки и формирования сигналов позволит создать тропосферные станции связи качественно нового уровня.

About the authors

A. Yu. Strokova

JSC “Scientific production enterprise “Radiosviaz”

Email: Strokovaaloyna@mail.ru

A. N. Frolov

JSC “Scientific production enterprise “Radiosviaz”

A. M. Aleshechkin

Siberian Federal University

Email: AAleshechkin@sfu-kras.ru

References

Supplementary files